Eine laserbasierte volumetrische additive Fertigungsmethode für den 3D-Druck von Glas

Herkömmliche Glasherstellungstechniken können kostspielig und langsam sein, und 3D-Druckglas führt oft zu rauen Texturen, die es für glatte Linsen ungeeignet machen. Unter Verwendung eines neuen laserbasierten Ansatzes der volumetrischen additiven Fertigung (VAM) – einer aufstrebenden Technologie im nahezu sofortigen 3D-Druck – haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und der University of California, Berkeley, die Fähigkeit demonstriert, mikroskopisch kleine Objekte in 3D zu drucken in Quarzglas, Teil der Bemühungen, filigrane, schichtlose Optiken herzustellen, die in Sekunden oder Minuten aufgebaut werden können.

Die vom LLNL und der UC Berkeley entwickelte Technologie der Computed Axial Lithography (CAL) mit dem Spitznamen „Replikator“ nach dem fiktiven Gerät in „Star Trek“, das nahezu jedes Objekt sofort herstellen kann, ist von bildgebenden Verfahren der Computertomografie (CT) inspiriert. CAL berechnet Projektionen aus vielen Winkeln durch ein digitales Modell eines Zielobjekts, optimiert diese Projektionen rechnerisch und liefert sie dann mit einem digitalen Lichtprojektor in ein rotierendes Volumen aus lichtempfindlichem Harz. Im Laufe der Zeit rekonstruieren oder bauen die projizierten Lichtmuster eine 3D-Lichtdosisverteilung im Material auf und härten das Objekt an Punkten aus, die eine Lichtschwelle überschreiten, während sich der Harzbehälter dreht. Das vollständig geformte Objekt materialisiert sich in nur wenigen Sekunden – viel schneller als herkömmliche Schicht-für-Schicht-3D-Drucktechniken – und dann wird der Bottich abgelassen, um das Teil zu entnehmen.

Durch die Kombination einer neuen mikroskaligen VAM-Technik namens micro-CAL, die einen Laser anstelle einer LED-Quelle verwendet, mit einem Nanokomposit-Glasharz, das von der deutschen Firma Glassomer und der Universität Freiburg entwickelt wurde, berichteten Forscher der UC Berkeley über die Herstellung von robustem, komplexem Mikrostrukturglas Objekte mit einer Oberflächenrauheit von nur sechs Nanometern mit Merkmalen bis zu einem Minimum von 50 Mikrometern.

Hayden Taylor, Associate Professor of Mechanical Engineering an der UC Berkeley, Principal Investigator des Projekts, sagte, der Mikro-CAL-Prozess, der eine höhere Lichtdosis erzeugt und 3D-Objekte schneller und mit höherer Auflösung aushärtet, hat sich in Kombination mit den am LLNL charakterisierten Nanokompositharzen als „ perfekt aufeinander abgestimmt“, wodurch „auffällige Ergebnisse in der Stärke der gedruckten Objekte erzielt werden.“

Das Team verglich die Bruchfestigkeit von Glas, das mit Mikro-CAL hergestellt wurde, mit Objekten derselben Größe, die mit einem konventionelleren schichtbasierten Druckverfahren hergestellt wurden. Das Team fand heraus, dass die Bruchlasten von CAL-gedruckten Strukturen dichter geclustert waren, was bedeutet, dass die Forscher mehr Vertrauen in die Bruchlast von CAL-gedruckten Komponenten haben konnten als herkömmliche Techniken.

In den letzten Jahren hat die LLNL/UC Berkeley VAM-Kollaboration mit verschiedenen Harzen und Materialien experimentiert, um komplizierte Objekte zu schaffen. Der jüngste Fortschritt geht auf eine Studie mit der UC Berkeley zur Entdeckung neuer Klassen vielseitiger Materialien zurück, die das Spektrum der mit der VAM-Methode erreichbaren chemischen Zusammensetzungen und Materialeigenschaften erweitern könnten.

Laut den Forschern. Mit VAM bedrucktes Glas könnte Vollglasgeräte mit mikroskopischen Merkmalen beeinflussen, optische Komponenten mit größerer geometrischer Freiheit und mit höheren Geschwindigkeiten herstellen und möglicherweise neue Funktionen oder kostengünstigere Produkte ermöglichen.

Reale Anwendungen könnten Mikrooptiken in hochwertigen Kameras, Unterhaltungselektronik, biomedizinische Bildgebung, chemische Sensoren, Virtual-Reality-Headsets, fortschrittliche Mikroskope und Mikrofluidik mit anspruchsvollen 3D-Geometrien wie „Lab-on-a-Chip“-Anwendungen umfassen ( wo mikroskopisch kleine Kanäle für die medizinische Diagnostik benötigt werden), grundlegende wissenschaftliche Studien, die Herstellung von Nanomaterialien und das Arzneimittel-Screening.

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